HITCE陶瓷阵列封装板级互联可靠性研究

氧化铝HTCC陶瓷与有机印制电路板间热膨胀系数的差异较大,板级互连可靠性成为大尺寸陶瓷阵列封装面临的主要问题之一。介绍了常见陶瓷阵列封装结构及其互联可靠性问题。高热膨胀系数(HITCE)陶瓷材料具有独特的特性,在封装中的应用可以提高其板级互联可靠性。采用有限元仿真分析方法,对比分析了HITCE陶瓷封装和HTCC陶瓷封装温循条件下的板级互连可靠性。

陶瓷封装球栅阵列焊点失效机理研究

研究了陶瓷封装球栅阵列(CBGA)的焊点在长期使用后开裂的失效机理,提出了改善此类元器件焊点可靠性的有效措施。通过X-ray分析、显微剖切、扫描电镜和能谱分析(SEM&EDS)等手段,研究分析了CBGA封装器件焊点失效的机理与成因;基于失效机理,提出了针对性的改善措施,并验证了相关措施的有效性。研究结果表明,由于CBGA器件本体与印制板之间存在较大的热膨胀系数差异,导致焊点在长期使用后出现了热疲劳开裂失效,通过更换焊球类型以增加焊点高度可以显著地改善焊点的可靠性。

陶瓷球栅阵列封装元器件工艺装联适应性验证方法

针对陶瓷球栅阵列封装(CBGA)元器件,设计了一套完整的工艺装联适应性的验证流程与方法,并将该方法在一款CBGA器件中进行了应用。通过开展CBGA元器件工艺装联适应性验证,有效地识别了该款电子元器件在温度循环应力下存在的焊点开裂风险。该焊点开裂主要是由于元器件本体与印刷电路板(PCB)之间的热膨胀系数存在差异,在温度交替变化的环境中,焊点受到热机械疲劳应力作用从而发生开裂。该问题可以通过对CBGA器件进行点胶加固或采用柱栅阵列封装(CCGA)进行有效改善。

陶瓷焊球阵列封装可靠性研究与试验分析

为了研究焊球成分和焊盘尺寸对陶瓷焊球阵列封装(CBGA)可靠性的影响,本文选用3种验证板,采用共晶焊球和Sn63Pb37焊盘、高铅焊球和Pb90Sn10焊盘、共晶焊球和Pb90Sn10焊盘,分别进行可靠性试验。结果表明,采用高铅焊球和Pb90Sn10焊盘时,CBGA焊球的失效率最低,为74%。

陶瓷柱栅阵列封装器件回流焊工艺仿真

陶瓷柱栅阵列(Ceramic Column Grid Array,CCGA)封装器件因具有高密度输入/输出、高可靠性、优良的电气和热性能等优点,被广泛应用于航空航天领域。通过微线圈型CCGA封装器件的回流焊工艺仿真,分析了降温速率和印制电路板(Printed Circuit Board, PCB)焊盘直径对焊接残余应力的影响,并通过参数优化选取较优的工艺参数组合。结果表明,降温速率在1~2.5℃/s内变化时,最大残余应力变化不明显,降温速率大于2.5℃/s时,降温速率越大,残余应力越大;PCB焊盘直径对焊接残余应力的影响未呈现出规律性的趋势,当PCB焊盘直径为0.76 mm时,残余应力最小,为10.7490 MPa;通过参数优化可知,当PCB焊盘直径为0.76 mm、降温速率为2.0℃/s时,残余应力最小,为6.9600 MPa。

陶瓷柱栅阵列封装芯片落焊控温工艺研究

宇航型号单机生产过程中,部分陶瓷柱栅阵列(CCGA)芯片因软件固化、调试等原因需使用返修台进行落焊,落焊温度曲线直接影响CCGA器件及周围器件的装配可靠性。本文使用红外热风混合型返修台对CCGA器件落焊控温工艺进行研究。研究发现,返修台控温点距离器件边缘1~2 mm时温度反馈控制效果最佳;本文提出了增加导热挡板控制高温区范围(>183℃)的新方案,可将本文使用的印制板高温区控制在落焊位置周围8 mm范围内;CCGA焊接样件分析显示焊锡柱侧微观组织呈块状,金属间化合物(IMC)层组织均匀,未出现Cu3Sn脆化物,可靠性试验后染色浸润测试发现焊点完好,未出现裂纹。结果证明本文提出的温度控制工艺合理有效,可应用于宇航产品落焊过程。

陶瓷柱栅阵列封装电路器件级热学环境可靠性评估

陶瓷柱栅阵列(Ceramic Column Grid Array,CCGA)封装器件在宇航型号中已大量使用,在地面高温贮存及空间极冷极热等热应力载荷作用下,极易出现焊点开裂等失效问题,进而引发器件故障。针对外引出端为增强型焊柱的CCGA封装电路,开展器件级高温存储、温度循环及多次返工可靠性考核,评估外引出端为增强型焊柱的CCGA封装电路的热学可靠性。结果表明,器件在2000 h高温存储考核后焊点未发生失效,但经历2000次温度循环考核后焊点内部开裂,返工3次后焊点形貌及界面互连未发生明显变化。

陶瓷柱栅阵列封装器件高可靠性植柱工艺技巧

随着航天电子产品向小型化、集成化方向发展,陶瓷柱栅阵列封装器件在星载产品中的应用越来越广泛。但陶瓷柱栅阵列封装器件装联工艺却存在着焊接工艺难度大,过程难以控制等问题,各个环节控制稍有误差,极易出现单个焊点虚焊、裂纹、气孔过多等问题,导致器件无法正常使用,甚至单板报废。仅仅因为陶瓷柱栅阵列封装器件焊接问题致使整板报废,不仅严重延误了产品的研制进度,也造成了巨大的经济损失。以相关单位使用情况分析来看,陶瓷柱栅阵列封装的芯片在通信有效载荷、数据处理、控制系统中大量使用,年使用量约为200~300片。近5年来每年因返修导致报废器件10片左右,造成经济损失多达数百万元。通过对陶瓷柱栅阵列封装植柱专用工装、裁体焊接设备的设计,成功实现了器件植柱,并对样件进行了相关检测和试验验证。对降低产品成本具有积极促进作用。

热循环对CBGA封装焊点组织和抗剪强度的影响

陶瓷球栅封装阵列(CBGA)器件的陶瓷基器件与印刷电路板之间膨胀系数的差异是导致焊点失效的主要因素,其可靠性一直是CBGA封装器件制造时需重点考虑的问题。研究了在-55～125℃热循环试验条件下,热循环对CBGA封装焊点的组织变化及对抗剪强度的影响。结果表明,随着热循环次数的增加,焊点的抗剪强度不断下降;随着热循环次数的增加,CBGA封装焊点在焊球边缘处开始萌生裂纹,然后裂纹沿着晶界扩展,最终导致完全失效。与此同时,焊点的组织变化的微观机制表现为焊点晶粒不断地长大,组织粗化,金属间化合物层逐渐增厚。

FC-CBGA封装中高速差分信号过孔的设计与优化

对FC-CBGA封装中高速差分信号过孔的设计与优化问题进行研究,分析了采用堆叠孔、增加地回流孔和增大过孔反焊盘尺寸这三种优化方法对减小电容和电感不连续性,以提高过孔电性能的具体影响。时频域仿真验证了所述优化方法能够有效降低高速差分信号插入损耗及回波损耗,提高信号过孔阻抗,改善高速差分信号传输性能。

低应力柔性CCGA焊点设计及其可靠性预测

为提高大芯片面阵列封装的可靠性、降低工作载荷下钎料焊点内部的应力集中程度,基于力学原理对陶瓷柱栅阵列(ceramic column grid array,CCGA)封装结构进行了柔性互连设计和焊点形态设计.采用有限元方法研究了该低应力柔性CCGA互连结构在剪切载荷下的力学行为.结果表明,互连结构的峰值应力和峰值应变由设计的铜质的锥形漏斗体承担,性能薄弱的钎料及钎料/铜柱界面不再处于互连结构的应力应变集中位置,焊点内部应力应变较传统CCGA焊点降低显著;预测该低应力柔性CCGA互连焊点将具有更高的可靠性.

CBGA器件温度场分布对焊点疲劳寿命影响的有限元分析

陶瓷封装器件的可靠性一直是电子封装领域关注的热点,目前有限元模拟方法在分析焊点疲劳寿命时大多采用了均一温度假设条件,而陶瓷封装器件由于自身材料性质,在热循环载荷下其内部温度场并不均匀.文中在传统经典理论的基础上利用ANSYS有限元软件采用六面体网格划分技术对16×16阵列的陶瓷球栅阵列(ceramic ball grid array,CBGA)封装模型在热循环载荷下的可靠性进行了仿真分析.考虑了热循环加载过程中CBGA器件内部的温度场分布,使用热力耦合模型讨论了均一温度假设在不同条件下的合理性.结果表明,考虑温度场分布的情况下预测的疲劳寿命要低于均一温度假设条件,为温度均一假设适用条件提供了判断依据.

CBGA结构热循环条件下无铅焊点的显微组织和断裂

用热循环实验、扫描电镜观察焊点横截面和有限元模拟的方法研究了陶瓷球栅阵列封装(CBGA)结构中无铅焊点的组织和热疲劳行为． CBGA结构中,在焊料与铜焊盘和银焊盘的界面处分别形成了Cu6Sn5和Ag3Sn．在热循环过程中,铜焊盘处Cu6Sn5层增厚,并出现Cu3Sn;镀银陶瓷芯片一侧,Ag3Sn层也增厚,焊球中靠近界面处Ag3Sn的形态从条状向球状过渡．增加热循环周次,疲劳裂纹最先出现在芯片与焊球界面处焊球的边角位置上,有限元模拟表明此处具有最大的剪切应力．在印刷线路板处,裂纹沿Cu6Sn5和焊料的界面扩展;在陶瓷芯片处,裂纹沿Ag3Sn界面层附近的焊球内部扩展．

CBGA器件焊点温度循环失效分析

陶瓷球栅封装阵列(CBGA)器件的陶瓷器件与印制电路板之间热膨胀系数的差异是导致焊点失效的主要因素,其可靠性一直是CBGA封装器件设计时需重点考虑的问题^([1])。对CBGA植球器件的板级表贴焊点在-55~105℃温度循环载荷条件下的失效机理进行了研究,结果表明,CBGA板级表贴器件的焊点的主要失效部位在陶瓷一侧焊料与焊球界面和焊点与焊盘界面两处,边角焊点优先开裂,是失效分析的关键点;随着循环周期的增加,内侧链路依次发生断路失效。

航天电子产品CCGA加固工艺可靠性分析

航天电子产品大量应用陶瓷柱栅阵列封装(ceramic column grid array, CCGA)器件,其装焊质量与器件本体尺寸和加固工艺息息相关.文中通过试验和数值仿真方法,研究印制电路板(primted circurt board, PCB)约束、器件加固工艺对大尺寸CCGA焊点可靠性的影响.仿真与试验结果表明,优化CCGA周围印制电路板约束方式、使用EC-2216环氧胶加固CCGA均可大幅降低随机振动过程中焊点受力.使用少量环氧胶加固CCGA提高焊点抗振性能的同时,对焊点抗热疲劳性能影响较小,满足QJ 3086A-2016高可靠装焊要求;随着环氧胶点胶量的增多,焊点抗热疲劳性能显著下降,焊点在温差变化较大的服役环境下存在失效风险;在充分优化PCB约束以降低板级振动响应的情况下,使用GD414硅橡胶加固器件也满足航天电子产品高可靠装配要求.

高密度CCGA封装振动疲劳可靠性仿真与寿命预测

高密度陶瓷柱栅阵列(Ceramic Column Grid Array,CCGA)封装振动可靠性要求较高,由于管脚排布紧密,在振动条件下焊柱根部发生断裂等失效后难以检测,缺乏有效实用的风险评估手段。针对高密度微系统封装结构,在微系统板级建模的基础上采用频域仿真方法提取CCGA焊柱的频率响应,较好地完成了模型简化和随机振动载荷输入,得到了焊柱和印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)的三区间应力应变分布,并利用结构的功率谱密度对该CCGA封装进行了寿命预测,对不同高度和直径的焊柱进行了对比,得出了焊柱高度和直径参数的优化趋势。对某高密度CCGA封装微系统的振动疲劳仿真分析表明,焊柱和PCB板在振动试验条件下的最大应力分别为32.4MPa和45.6MP,小于材料的许用应力。同时,预测了封装结构的振动疲劳寿命,通过对焊柱的高度和直径进行仿真优化,焊柱的振动疲劳寿命综合提升了13%,有效保证了封装结构的振动疲劳可靠性。